金属光子晶体增强硅基LED发光关键技术研究

As an indirect band gap semiconductor material, silicon internal quantum efficiency is low because of non-radiative recombination. Various technologies are used to improve silicon light source efficiency in silicon-based optical interconnection field. In this proposal， strong local field of surface plasmon polaritons (SPPs) by metallic photonic crystal is employed to enhance the luminescence efficiency of silicon light-emitting devices. The research task is arranged as: (i) A COMS light-emitting PN junction with metal photonic crystal will be fabricated. (ii) Photonic crystal reciprocal lattice vector can modulate SPP wave vector, which makes silicon fluorescence radiation energy coupled to radiative SPPs modes. SPP has a high density of state and the Purcell effect will enhance silicon LED internal quantum efficiency. The SPP radiative modes can be extracted to improve silicon LED light extraction efficiency. This proposal is expected to improve the luminous efficiency of silicon-based LED chips by 10 times. Related research results provide new, feasible ideas and technologies for a new generation silicon photonic integrated circuits.

硅作为间接带隙半导体材料，载流子辐射复合效率很低，利用各种技术提高硅基光源发光效率是全硅光互连领域重要的研究方向。本课题提出：利用二维金属光子晶体的表面等离子体激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）模式耦合增强硅基发光二极管发光效率。具体为：参照CMOS工艺制备发光PN 结，结合微纳加工技术在发光区表面集成金属光子晶体，重点利用光子晶体倒格矢调制金属的SPP模式与硅基光辐射模式匹配，SPP强局域特性可以提高辐射区光子态密度，提升器件发光内量子效率。同时硅基光辐射激发SPP泄露模式可直接转化为光子被有效提取，提高器件光提取效率。同时，为了避免SPP模式的欧姆接触损耗，金属光子晶体和硅PN结间采用优化厚度的介质隔离层隔离。本课题预期能够提高硅基LED 发光效率10 倍以上，课题实施可以为新一代硅光子集成回路的研究提供新颖、可行的技术。

硅作为间接带隙半导体材料，载流子辐射复合效率很低，利用各种技术提高硅基光源发光效率是全硅光互连领域重要的研究方向。本课题提出：利用二维金属光子晶体的表面等离子体激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）模式耦合增强硅基发光二极管发光效率。课题实施过程中研究结果如下：(1)利用FDTD算法和RCWA算法，验证了不同周期、占空比等参数的金属光子晶体结构的色散特性。明确了金属光子晶体倒格矢对金属SPP频率的调控作用，并采用优化金属结构对金属光子晶体器件进行设计。(2)结合器件模拟和光电测试，验证了金属光子晶体结构对硅基LED自发辐射速率提高的有效作用。(3)参考SMIC工艺，设计了硅基LED器件，利用全息光刻手段在硅基LED器件表面制备了纳米周期图形，借助lift-off实现硅基LED器件表面金属光子晶体结构的制备，开发了整套的硅基等离子体激元耦合光辐射增强LED器件工艺。(4)得到电致发光的等离子体激元耦合电致发光LED器件。测试结果表明，与未作金属等离子体耦合结构器件相比，光辐射效率增强8倍。(5)课题还结合金属等离子体激元耦合特性在GaN LED器件上加以应用，提高GaN LED发光效率，相关成果已经进行产业化推广和应用。通过本课题研究工作开展，课题组探索新一代硅光子集成回路的光电集成途径和方法，为相关研究提供新颖、可行的技术。